(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却効率の高い半導体チップ冷却システム及び冷却装置構造と製造方法を提供する。【解決手段】半導体チップ冷却システムは、冷却装置３３、熱交換装置３４、ポンプ装置３５及び冷却装置と熱交換装置間で冷却流体を循環するチューブ３５１を具える。冷却装置は半導体チップに接して配置されてその廃熱を受け、且つ冷却装置は熱伝導材料で構成され、ポンプ装置により冷却装置と熱交換装置内で循環流動する流体を冷却する。該熱伝導材料は、金属材料と正四面体構造の炭素の混合物、又は金属材料の表面を正四面体構造の炭素で被覆した構造、或いはそれらの組合せでもよい。正四面体構造の炭素は高い熱伝導率特性を具えて熱伝導材料の熱伝導効果を向上させる。熱伝導材料の製造方法は、化学気相成長法、物理気相成長法、溶融、またはその他の材料製造方法で完成し、且つ正四面体構造の炭素は金属材料表面を覆ってもよく、金属材料中に混入してもよい。【選択図】図４
2006245568.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップ冷却システムであって、
熱交換装置、ポンプ装置、冷却装置及び該冷却装置と熱交換装置間で冷却流体を循環するチューブからなり、該冷却装置は半導体チップに接して配置されてその廃熱を受け、且つ該冷却装置は、金属材料と正四面体構造の炭素を混合した熱伝導材料を成型した成型体、又はこれらの成型体若しくは金属材料などからなる成型体表面に正四面体構造の炭素皮膜を形成した成型体からなり、ポンプ装置により冷却装置と熱交換装置内で循環流動する流体により冷却される、
ことを特徴とする半導体チップ冷却システム。
【請求項２】
該チップは、ＣＰＵチップであることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項３】
該金属材料は、銅材質であることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項４】
該金属材料は、銀材質であることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項５】
該金属材料は、アルミ材質であることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項６】
該金属材料は、高熱伝導率の金属合金材質であることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項７】
正四面体構造の炭素は、ダイヤモンドであることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項８】
該熱正四面体構造の炭素皮膜は、金属表面上に化学気相成長法で正四面体構造の炭素皮膜を形成して成ることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項９】
該正四面体構造の炭素皮膜は、金属表面上に物理気相成長法で正四面体構造の炭素皮膜を形成して成ることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項１０】
該成型体は、正四面体構造の炭素を混入した溶融材料から形成されることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項１１】
該成型体の成型法は、金属の射出成型で形成して成ることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項１２】
該冷却装置は、熱交換面に複数個の放熱フィンを具えて成ることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項１３】
該放熱フィンは、金属材料と正四面体構造の炭素を混合した熱伝導材料を成型した成型体、又はこれらの成型体若しくは金属材料などからなる成型体表面に正四面体構造の炭素皮膜を形成した成型体から成ることを特徴とする請求項１２記載のチップ冷却システム。
【請求項１４】
該熱交換装置に、更に気流発生装置を具えて成ることを特徴とする請求項１記載のチップ冷却システム。
【請求項１５】
該気流発生装置は、ファンであることを特徴とする請求項１４記載のチップ冷却システム。
【請求項１６】
該流体は、水であることを特徴とする請求項１４記載のチップ冷却システム。
【請求項１７】
半導体チップ冷却装置の製造方法であって、
金属材料と正四面体構造の炭素を混合した熱伝導材料を成型した成型体、又はこれらの成型体若しくは金属材料などからなる成型体表面に正四面体構造の炭素皮膜を形成した成型体を作成し、
該成型法がプレス成型法によるものであって、冷却装置に成型し、且つ成型された該冷却装置はハウジング構造を具えて少なくとも二つの孔を該ハウジング上に形成すると共に、少なくとも一つの流体通路を該ハウジング内部に形成して該対応する二つの孔を接続するように成形すること、
以上を含むことを特徴とする冷却装置の製造方法。
【請求項１８】
上記金属材料として銅材質を用いることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【請求項１９】
上記金属材料として銀材質を用いることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【請求項２０】
上記金属材料としてアルミ材質を用いることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【請求項２１】
上記金属材料として高熱伝導率の金属合金材質を用いることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【請求項２２】
上記正四面体構造の炭素としてダイヤモンドを用いることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【請求項２３】
上記正四面体構造の炭素皮膜の製造方法として化学気相成長法を用いることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【請求項２４】
上記正四面体構造の炭素皮膜の製造方法として物理気相成長法を用いることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【請求項２５】
上記成型体の製造方法として溶融材料によることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【請求項２６】
上記プレス成型法として金属射出成型法によることを特徴とする請求項１７記載の冷却装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体チップ冷却システム及びその冷却装置の構造と製造方法に関し、特に該冷却装置は金属材料及び正四面体構造の炭素を含んだ熱伝導材料から組成する半導体チップ冷却システム及びその冷却装置の構造と製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体産業の急速な発展に伴い、大型集積回路は小体積・高密度に向かって機能向上を目指している。各種集積回路のうち、中央演算処理ユニットチップ（ＣＰＵ）は集積回路研究開発と改良の重点である。パーソナルコンピュータ及び各種サーバなどの核となるシステムに用いられるため、パーソナルコンピュータや各種サーバのパフォーマンスの効率はＣＰＵチップの効率よって決まる。ＣＰＵチップは製造工程改良後、クロック周波数が増加でき効率が向上する。しかしそれに伴い発熱量が増大することは避けられない。発生した熱が適時に排除できなければ、ＣＰＵチップのデバイス効率は低下し、損傷してしまうこともある。よって如何に効果的に発生した熱をシステムから排出するかが非常に重要な課題となっている。
【０００３】
図１に示すように、公知の強制空冷チップ冷却システム１は、ＣＰＵチップ１１、基板１２及び冷却装置１３を具える。ＣＰＵチップ１１は更に複数のピン１１１を具えて、ＣＰＵチップ１１を基板１２に接続し、基板１２は公知のマザーボード及びディスプレイカードであってよい。また冷却装置１３はファン１３１を具えてもよく、熱伝導グリス１３２を塗布してＣＰＵチップ１１の上部に緊密に接着する。ＣＰＵチップ１１の動作時に発生する熱は、熱伝導グリス１３２を経て冷却装置１３に伝わり、冷却装置１３はファン１３１により発生する気流を経て廃熱を外部へ排出することができる。
【０００４】
しかし上述のシステムによる冷却方法は、ファン１３１で気流を発生させて廃熱を外部へ排出するため、冷却効率はファン１３１の大きさと回転速度によって制限され、迅速に廃熱を冷却装置１３から外部へ排出することができず、ＣＰＵチップ１１は廃熱を冷却装置１３に迅速に伝導させることができなくなり、ＣＰＵチップ１１に熱が蓄積して効率が悪化してしまう。
【０００５】
図２に示すように、公知の水冷式チップ冷却システム２は、ＣＰＵチップ２１、基板２２、冷却装置２３、熱交換装置２４及びポンプ装置２５を具える。ＣＰＵチップ２１は更に複数のピン２１１を具えてＣＰＵチップ２１を基板２２に接続し、基板２２は公知のマザーボード及びディスプレイカードであってよい。また冷却装置２３は熱伝導グリス２３１を塗布してＣＰＵチップ２１の上部に緊密に接着することができる。ポンプ装置２５、冷却装置２３及び熱交換装置２４は更にチューブ２５１で相互に接続し、ポンプ装置２５は水流（図中未表示）をチューブ２５１を経て冷却装置２３と熱交換装置２４の間を循環して流動できるようにする。
ＣＰＵチップ２１の動作時に発生する熱は、熱伝導グリス２３１を経て冷却装置２３に伝わり、冷却装置２３は水流の循環流動を経て熱を熱交換装置２４に伝え、熱交換装置２４は更にファン２４１を具えてファン２４１によって発生する気流で熱交換装置２４の熱を外部に排出できる。
【０００６】
上述のシステムの冷却方法は水のような高比熱材料が循環して流動するときに廃熱を熱交換装置２４に伝達するため、冷却効率はポンプ装置２５で水の流動循環速度を上昇させることで向上できる。熱交換装置２４は基板２２上に設置しないため、体積上の制限がなく、ファン２４１の大きさと回転速度を増加して冷却効率を上げることもできる。よって上述のシステムでは効果的にＣＰＵチップ２１の冷却効率を向上させることができる。
【０００７】
合わせて図３に示すように、図２に示す冷却装置２３の構造分解図では、冷却装置２３は上半部２３２と下半部２３３に対称に分解することができ、上半部２３２と下半部２３３は同じ構造を具えるようにすることができる。下半部２３３は更に２個の半円孔２３３１と下半部２３３内部に形成した溝空間２３３２を具えてもよく、上半部２３２も２個の半円孔２３２１と上半部２３２内部に形成した溝空間（図中未表示）を具えてもよい。上半部２３２と下半部２３３を相対して重ねて結合すると、半円孔２３２１、２３３１は結合して円形孔となりチューブ２５１を冷却装置２３に接続して水が流入流出する開口部とすることができ、上半部２３２と下半部２３３の溝空間は水が流動する通路を形成し、水が冷却装置２３内で熱伝導を経て廃熱を受け取るようにでき、流動して冷却装置２３の廃熱を除去する。
【０００８】
水流の流速はポンプ装置の加圧で水流循環を向上させることができるが、冷却装置の材質の熱伝導が良好でなければ、適時に廃熱を水流に伝導して除去することができず、やはり冷却不良の問題が生じてしまう。現在一般に使用している熱伝導材質は多くはアルミ、銅、銀またはその合金であり、熱伝導率が高いという特性を具えているが、ＣＰＵチップの効率が日々上昇しているなかで、廃熱の発生速度も大幅に増大し、こういった熱伝導材質では高冷却効率の要求を十分に満たすことができなくなっている。そのため、代替の熱伝導材料を見つけることが重要な課題となっている。
【０００９】
公知のダイヤモンド材料は高い硬度、高い熱伝導率、広い光透過波長帯、耐蝕性といった特性を具えているため、長い間各種用途の重要な材料として使われてきた。ダイヤモンド材料の熱伝導率は常温で銅の五倍、高温時には赤外線放射も強くなり、その放熱効果が間接的に増大するため、ダイヤモンド材料は高温時により放熱機能を発揮できる。しかし、天然単結晶ダイヤモンドは非常に高価なため、製造コストを低下させるべく産業に利用できる人造ダイヤモンドの各種技術が発展した。人造ダイヤモンドの技術は公知技術においてたくさんの技術と製造工程が開発されており、なかでも炭水化合物を直接分解する方法が最もよく見られる。マイクロ波プラズマ化学気相成長法（ＭＰＣＶＤ）や熱フィラメント化学気相成長法（ＨＦＣＶＤ）で多結晶ダイヤモンド膜を堆積でき、この多結晶ダイヤモンド膜は天然単結晶ダイヤモンドと同等の物理特性を具える。これにより、ダイヤモンド材料を広く各種産業に応用できるようになった。
【特許文献１】特開２００５−３４７５００号公報
【特許文献２】特開２００４−１７３２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
熱伝導材料の開発は、金属材料と正四面体構造の炭素（ダイヤモンド材料など）を含め、大幅に熱伝導率を向上させて公知の熱伝導材料の冷却効率不良という問題を解決することが望まれている。そこで、チップ冷却システム及びその冷却装置の構造と製造方法を提供して、上述の問題を解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、チップ冷却システム及びその冷却装置の構造と製造方法を提供する。チップ冷却システムは、チップ、冷却装置、熱交換装置、ポンプ装置及び複数のチューブを具える。冷却装置は一種の熱伝導材料で構成し、その熱伝導材料は一金属材料及び正四面体構造の炭素を含む。また、金属材料は銅、アルミ、銀またはその合金、或いはその他の高熱伝導率の金属材料であってよく、正四面体構造の炭素はダイヤモンドとすることができる。このほか、正四面体構造の炭素は金属材料表面を覆うだけでも、金属材料中に混入しても、または両者を同時に具えるようにしてもよい。冷却装置に使用する金属材料表面を覆う熱伝導材用の製造方法は化学気相成長法、物理気相成長法、溶融、金属射出成型、またはその他の材料生成方法を含むことができる。上述の冷却装置は高熱伝導率の正四面体構造の炭素を混入またはこれに覆われているため、冷却装置の冷却効率を大幅に向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明が提供するチップ冷却システム及びその冷却装置の構造と製造方法によって、冷却効率を大幅に増大して、集積回路チップが必要とする冷却効率を満たすことができ、チップの作動上の品質を大幅に向上させることができ、半導体製造工程を主とした集積回路産業の競争力を強化できるほか、集積回路を使用した製品の品質が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図４に示すように、本発明のチップ冷却システム３は、チップ３１、基板３２、冷却装置３３、熱交換装置３４及びポンプ装置３５を具える。チップ３１はＣＰＵチップとすることができ、且つ複数のピン３１１を具えてチップ３１を基板３２に接続し、基板３２は公知のマザーボード及びディスプレイカードであってよい。また、冷却装置３３は熱伝導グリス３３１の塗布によりチップ３１の上面に緊密に接着することができる。ポンプ装置３５、冷却装置３３及び熱交換装置３４は更にチューブ３５１で相互に接続し、ポンプ装置３５は高比熱係数の流体（図中未表示）を具えてチューブ３５１を経て冷却装置３３及び熱交換装置３４の間を循環させることができる。続いて、冷却装置３３は一種の熱伝導材料で構成し、熱伝導材料は一金属材料と正四面体構造の炭素を含み、その金属材料は銅、アルミ、銀、またはその合金、またはその他の高熱伝導率の金属材料とすることができ、正四面体構造の炭素はダイヤモンドとすることができる。このほか、正四面体構造の炭素は金属材料表面を覆うだけでもよく、金属材料中に直接混入してもよく、または両者を同時に具えてもよい。
【００１４】
ＣＰＵ３１動作時に発生する廃熱は、熱伝導グリス３３１を経て冷却装置３３に伝達され、冷却装置３３は流体（水とすることができる）の循環流動を経て廃熱を熱交換装置３４に伝達し、熱交換装置３４は気流発生装置３４１を具えて気流発生装置３４１で生成する気流によって熱交換装置３４の廃熱を外部へ排出することができる。
【００１５】
合わせて図５に示す図４の冷却装置３３の構造分解図では、冷却装置３３は対称な構造として上半部３３２と下半部３３３に分解でき、上半部３３２と下半部３３３は同じ構造を具えるようにできる。下半部３３３は更に、２個の半円孔３３３１及び下半部３３３内部に形成した溝空間３３３２を具え、上半部３３２も２個の半円孔３３２１及び上半部３３２内部に形成した溝空間（図中未表示）を具えることができる。上半部３３２と下半部３３３を相対して重ねて結合すると、半円孔３３２１、３３３１は結合して円孔となり、チューブ３５１で冷却装置３３に接続して流体が出入りする開口部とすることができる。上半部３３２と下半部３３３に形成した溝空間は流体の通路となり、流体が冷却装置３３内で熱伝導により廃熱を受け取り、流動して冷却装置３３の廃熱を冷却装置３３から取り去る。
【００１６】
上述の実施例から分かるように、冷却装置３３は本発明の一種の熱伝導材料で構成し、その高熱伝導率によって迅速に冷却装置３３の廃熱を流体に伝達でき、流体はポンプ装置３５の加圧によって迅速に冷却装置３３と熱交換装置３４の間で循環流動できるため、迅速に冷却装置３３の廃熱を熱交換装置３４に運ぶことができ、熱交換装置３４は気流発生装置３４１（ファンであってよい）の効率を上昇させることによって熱交換装置３４の外部への廃熱排出を加速することができ、システム全体の冷却効率を向上させる。よって上述のシステムは、効果的にチップ３１の冷却効率が向上する。
【００１７】
図６に示すように、図５の冷却装置３３の下半部３３３構造の別の分解図では、複数個の放熱フィン３３３３を溝空間３３３２に形成し冷却装置３３の下半部３３３に接続する。流体が溝空間３３３２が形成する通路内を流動すると、放熱フィン３３３３の熱伝導により迅速に冷却装置３３の廃熱を受け取ることができるため、この構造でチップの冷却効率を向上できる。また放熱フィン３３３３は本発明の熱伝導材料で構成でき、且つ熱伝導材料は金属材料及び正四面体構造の炭素を含んで、放熱フィン３３３３の熱伝導率を増加でき、システム全体の冷却効率が向上する。
【００１８】
図７に示すように、本発明のチップ冷却システムの冷却装置の製造方法は、公知の金属射出成型技術４を含み、原料ホッパ４１、原料射出装置４２及び金型４３を具える。金属射出成型を行う際には、原料ホッパ４１に入れた原料を原料射出装置４２から金型４３で形成するキャビティ４４に射出し成型する。原料は金属または金属及び正四面体構造の炭素微粉末を含む溶融材料とすることができ、金属材料は銅、アルミ、銀、またはその合金またはその他の高熱伝導率の金属材料とすることができ、正四面体構造の炭素の融点は前述のいずれの金属の融点より高いため、金属及び正四面体構造炭素を結合して一種の原料とすることができる。また、金属射出成型品の構造はキャビティ４４の形状であり、この実施例ではキャビティ４４の形状は図５に示す下半部３３３の構造としてもよく、同様にして図５に示す上半部３３２の構造も分かり、上半部３３２と下半部３３３を接合（溶接を用いてもよい）すれば図４に示す冷却装置３３となる。
【００１９】
図８に示すように、本発明のチップ冷却システムの冷却装置のもう一つの製造方法は、公知のマイクロ波プラズマ化学気相成長法５を含み、正四面体構造の炭素を金属表面に形成するもので、特に図４の冷却装置３３の表面に成膜する。その反応プロセスは始めに反応させる混合気体を気体送入口５１から気体反応室５２に送入する。同時に、マイクロ波発生システム５３がマイクロ波を発生し混合気体に活性反応性イオンを発生させて反応を行い、徐々に支持台５４上の金属材質構造５５の表面に堆積して正四面体構造の炭素膜（ダイヤモンド膜とすることができる）を形成する。金属材料構造５５は図７に示す方法で成型した冷却装置とすることができ、冷却装置は銅、アルミ、銀、またはその合金またはその他の高熱伝導率の金属材料で構成し、余剰の期待は排気口５６から排出し、このような反応プロセスで表面をダイヤモンドで覆った熱伝導材料が得られる。この実施例では金属材質構造５５は図５に示す上半部３３２または下半部３３３としてもよく、正四面体構造の炭素膜を堆積してから接合して図４に示す冷却装置３３とする。
【００２０】
図９に示すように、本発明のチップ冷却システムの冷却装置の更に別の製造方法は、公知のイオンビームスパッタリング法６を含み、イオンビームスパッタリング６は物理気相成長法の一種であり、正四面体構造の炭素を金属表面に成膜するもので、特に図４の冷却装置３３の表面に形成する。製造プロセスは、まず正四面体構造の炭素材料を圧縮してターゲット６１を製造し、これを第一イオン銃６２のイオンビーム発射方向と狭角４５度前後に配置し、第一イオン銃６２に打たれて飛び散った正四面体構造の炭素微粒子が第二イオン銃６３前方へ飛来し、第二イオン銃６３が正四面体構造の炭素微粒子に十分な運動エネルギーを与えて金属材質構造６４表面にスパッタして均一な正四面体構造の炭素膜を形成する。金属材質構造６４は図７に示す方法で成型した冷却装置とすることができ、冷却装置は銅、アルミ、銀またはその合金またはその他の高熱伝導率の金属材料で構成し、余剰の正四面体構造の炭素微粒子は排気口６５から排出する。この実施例で金属材質構造６４は図５に示す上半部３３２または下半部３３３とすることもでき、正四面体構造の炭素膜を堆積してから接合して図４に示す冷却装置３３とする。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】公知のエア吹付け式チップ冷却システムの略図である。
【図２】公知の水冷式チップ冷却システムの略図である。
【図３】公知の冷却装置構造の分解略図である。
【図４】本発明のチップ冷却システムの略図である。
【図５】本発明の冷却装置構造の分解略図である。
【図６】本発明のもう一つの冷却装置構造の分解略図である。
【図７】本発明のチップ冷却システム冷却装置の製造方法略図である。
【図８】本発明の冷却システムの冷却装置のもう一つの製造方法略図である。
【図９】本発明の冷却システムの冷却装置の更に別の製造方法略図である。
【符号の説明】
【００２２】
１     エア吹付け式チップ冷却システム
１１   ＣＰＵ
１１１ ピン
１２   基板
１３   冷却装置
１３１ ファン
１３２ 熱伝導グリス
２     水冷式チップ冷却システム
２１   ＣＰＵ
２１１ ピン
２２   基板
２３   冷却装置
２３１ 熱伝導グリス
２３２ 上半部
２３２１      半円孔
２３３ 下半部
２３３１      半円孔
２３３２      溝空間
２４   熱交換装置
２５   ポンプ装置
２５１ チューブ
３     チップ冷却システム
３１   チップ
３１１ ピン
３２   基板
３３   冷却装置
３３１ 熱伝導グリス
３３２ 上半部
３３２１      半円孔
３３３ 下半部
３３３１      半円孔
３３３２      溝空間
３３３３      放熱フィン
３４   熱交換装置
３４１ 気流発生装置
３５   ポンプ装置
３５１ チューブ
４     金属射出成型
４１   原料ホッパ
４２   原料射出装置
４３   金型
４４   キャビティ
５     マイクロ波プラズマ化学気相成長法
５１   気体送入口
５２   気体反応室
５３   マイクロ波発生システム
５４   支持台
５５   金属材質構造
５６   排気口
６     イオンビームスパッタリング法
６１   ターゲット
６２   第一イオン銃
６３   第二イオン銃
６４   金属材質構造
６５   排気口
【図１】
2006245568.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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